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Asentamientos por Consolidación

INTRODUCCIÓN

CASO HISTÓRICOEl Palacio de Bellas Artes en la Ciudad de México, por ejemplo, construido entre 1900 y 1934; que era

considerada una fuerte y magnifica estructura. Fue construido al nivel de la plaza y otros edificios cercanos. Pero debido al tipo de suelo (arcilla montmorillonita) sobre el que esta cimentado la enorme estructura se

hundió más de 340, 8 cm en el suelo! (Por suerte, se asentó de manera uniforme minimiza el daño estructural.) Lo creas o no, en la década de 1960 el edificio se movió de nuevo. En esta ocasión se movió

365, 76 cm para arriba! El peso de los rascacielos en construcción alrededor del Palacio había empujado el agua subterránea y el suelo alrededor lo suficiente como para elevar el edificio.

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Distribución de suelos expansivos en el Mundo (G.W. Donaldson)5 6

• Los suelos expansivos contienen minerales con carga eléctrica activa que crean separación entre las partículas de arcilla. Las variaciones de esta carga eléctrica, inducida por el humedecimiento y por diversos factores físicos y químicos, alteran la separación y originan la expansión del suelo.

CAMBIOS DE VOLUMEN!!!

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• Cuando se edifica sobre suelo expansivo, la cubierta artificial rompe el equilibrio natural y se detiene la evaporación y el agua superficial y profunda migra hacia el centro del área. El agua libera las tensiones, elimina la restricción de carga por desecación los coloides se hinchan y el suelo se expande.

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TRATAMIENTO DE PISOS• Apoyados directamente• Base granular• Losa armada• Pisos suspendidos• Empleo de geomembranas

SOLUCIONES ESPECIALES• Pantallas impermeables• Edificación flexible• Uso de geomembranas• Plateas de cimentación• Pilotes

SETTLEMENTS OF FOUNDATIONS

NO SETTLEMENT * TOTAL SETTLEMENT * DIFFERENTIAL SETTLEMENT

Uniform settlement is usually of little consequence in a building, butdifferential settlement can cause severe structural damage

Asentamientos de Fundaciones

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Consolidación

• Un incremento de esfuerzos provocado por la construcción de cimentaciones u otras cargas comprime los estratos del suelo. La compresión es causada por:

a) Deformación de las partículas del suelo,b) Reacomodo de las partículas del suelo, c) Expulsión de agua o aire de los espacios

vacíos.

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Uno de los problemas en ingeniería geotécnica es la predicción del asentamiento en una cimentación cargada.

El problema tiene dos elementos:

1) La evaluación de la cantidad de asentamiento2) La velocidad y el tiempo para llegar a estos

valores de asentamiento

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En general el asentamiento por cargas se divide en tres amplias categorías:

1) Asentamiento Inmediato2) Asentamiento por consolidación primaria3) Asentamiento por consolidación secundaria

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Cuando un estrato de suelo saturado estasometido a un incremento de esfuerzos, lapresión de poro del agua aumentarepetidamente.

En suelos arenosos que son altamentepermeables, el drenaje causado por elincremento en la presión de poro del agua selleva a cabo inmediatamente. El drenaje del aguade los poros va acompañado de una reducciónen la masa del suelo, generándose unasentamiento.

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Debido al rápido drenaje de agua en suelosarenoso el asentamiento inmediato y laconsolidación son simultáneos. Sin embargo noes el caso de suelos arcillosos que tienen bajapermeabilidad. El asentamiento porconsolidación depende del tiempo.

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Analizaremos la deformación de un estrato dearcilla saturada sometida a un incremento deesfuerzos. Un estrato de arcilla saturada deespesor H, que esta confinado entre dosestratos de arena y sometido a un incrementoinstantáneo de esfuerzo total ∆σ

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Como la arcilla tiene muy baja permeabilidad y elagua es incompresible comparada con elesqueleto del suelo, en un tiempo t=0, elesfuerzo incrementado total ∆σ será tomado porel agua (∆σ=∆u) a toda profundidad.

Ningún esfuerzo será tomado por el suelo (esdecir el esfuerzo efectivo incrementado ∆σ’=0)

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Después de la aplicación del esfuerzoincrementado al estrato de arcilla, el aguaen los espacios vacíos empezará a serexpulsada y se drenará en ambas direcciones(hacia los estratos de arena). Por medio deeste proceso, el exceso de presión de poro delagua en cualquier profundidad sobre el estratode arcilla decrecerá gradualmente y elesfuerzo tomado por los sólidos del suelo(esfuerzo efectivo) se incrementará. Asíentonces, en el tiempo O < t < ∞

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Es importante destacar que las magnitudes de∆σ’ y ∆u a diversas profundidades cambiará,dependiendo de la distancia mínima de latrayectoria de drenaje a cualquiera de losestratos de arena, superior o inferior.

Teóricamente en un tiempo t=∞, la presión deporo completa en exceso se disipara pordrenaje desde todos los puntos del estrato dearcilla, dando ∆u=0, entonces el incremento deesfuerzo total ∆σ será asumido por el suelo:

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Este proceso gradual de drenaje, bajo laaplicación de una carga adicional y latransferencia asociada de presión de poro enexceso al esfuerzo efectivo, ocasionara elasentamiento dependiente del tiempo(consolidación) en el estrato del sueloarcilloso.

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EN RESUMEN:

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Prueba de Consolidación

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Arcillas Normalmente Consolidadas y Preconsolidadas

NORMALMENTE CONSOLIDADOLa presión de sobrecarga efectiva presente esla presión máxima a la que el suelo fuesometido en el pasado.

PRECONSOLIDADOLa presión de sobrecarga efectiva presente esmenor que la que el suelo experimenta en elpasado. La presión efectiva máxima en elpasado se llama esfuerzo depreconsolidación.

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Consolidación Secundaria

Al final de la consolidación primaria (es decirdespués de la disipación total del exceso depresión de poro de agua) se observa algúnasentamiento debido al ajuste plástico de laestructura del suelo, denominado usualmenteflujo plástico.

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Consolidación Secundaria

El asentamiento por consolidación secundaria esmas TRASCENDENTE que la primaria en suelosorgánicos (turbas) y en suelos inorgánicosaltamente compresibles. En arcillas inorgánicaspre consolidadas, el índice de compresiónsecundaria es muy pequeño y tiene una menorimportancia práctica.

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APLICACIONAsentamiento Instantaneo

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Ejemplo 01:

Una cimentación de concreto tiene una longitudde 32m y un ancho de 18m, la cual transmite alsuelo una presión de contacto uniforme de 240kN/m2 y a una profundidad de 2m. Determine lacantidad de asentamiento inmediato que esprobable que ocurra bajo el centro de lacimentación (asumir cimentación flexible),Eu=45MN/m2, u=0.5 y Ɣ=20kN/m3

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De la tabla 6.8

Presión de Contacto Efectivo

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Ejemplo 02:

Una cimentación de concreto tiene una longitudde 40m y un ancho de 16m, la cual transmite alsuelo una presión de contacto uniforme de 220kN/m2 y a una profundidad de 1.5m. Determine lacantidad de asentamiento inmediato que esprobable que ocurra bajo el centro de lacimentación (asumir cimentación flexible),Eu=38MN/m2, u=0.5 y Ɣ=16kN/m3

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Los valores del factor tiempo y sus gradospromedios correspondientes de consolidaciónse aproximan por las siguientes relaciones:

Donde:

U = Grado promedio de consolidaciónTv = Factor tiempo (adimensional)Cv = Coeficiente de consolidación

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Relaciones más aproximadas para Tv enfunción de U%, se tiene:

Para el cálculo del asentamiento total se tiene lasiguiente relación:

Donde:

mV = Coeficiente de compresibilidadH = Altura del estrato

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Para el cálculo del asentamiento porconsolidación es necesario obtener algunosparámetros básicos como el coeficiente deconsolidación (CV) y el coeficiente decompresibilidad (mv) los cuales se obtendrán apartir de correlaciones con las propiedadesfísicas representativas del suelo

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Valores típicos del Coeficiente de CompresibilidadFuente: Correlations of Soils Properties. Carter M., Bentley S. 1991 [6]

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